劉韶華

（撫順市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 撫順 113006）

大伙房水庫是遼寧省最大的水庫，其城市供水已成為大連、盤錦、營口、鞍山、遼陽、沈陽、撫順等7個(gè)城市近2000萬人的飲用水源。長期以來，大伙房水庫總氮、總磷含量一直超過國家ΙΙ類水體標(biāo)準(zhǔn)，庫區(qū)總氮單獨(dú)評(píng)價(jià)為劣V類，是導(dǎo)致水庫富營養(yǎng)化的關(guān)鍵指標(biāo)［1］。水庫污染主要來自旅游、生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)4個(gè)方面。為預(yù)測大伙房水庫的水環(huán)境質(zhì)量狀況，多位學(xué)者建立了各種水質(zhì)模擬模型。張穎純等［2］建立了大伙房水庫藍(lán)藻優(yōu)勢度和浮游植物豐度預(yù)測預(yù)報(bào)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；陳藜藜等［3］通過二維生態(tài)水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)碳生化需氧量和溶解氧的變化過程進(jìn)行了較好模擬；尚佰曉等［4］基于FVCOM水動(dòng)力數(shù)值模型與WASP建立的水質(zhì)模型相耦合，對(duì)大伙房水庫的水質(zhì)敏感因子進(jìn)行研究，比較了通水前后水庫水質(zhì)因子的變化情況。本文基于RCA模型建立了大伙房水庫水質(zhì)模型，對(duì)不同水質(zhì)要素進(jìn)行模擬，分析了各水質(zhì)要素空間分布規(guī)律及其隨時(shí)間的變化特征，并研究了各河流營養(yǎng)鹽輸入對(duì)水庫水質(zhì)要素的影響，為大伙房水庫水資源可持續(xù)利用及水質(zhì)管理提供理論指導(dǎo)。

1 大伙房水庫概況

1.1 水庫水質(zhì)監(jiān)測情況

大伙房水庫是遼寧省最大的水庫。位于撫順市東部，建成于1958年，最大蓄水面積114km2。水庫的主要功能有發(fā)電、養(yǎng)魚、工業(yè)及城市用水、灌溉、防洪等。為搜集積累水質(zhì)資料、掌握水庫水質(zhì)變化規(guī)律，共設(shè) 7個(gè)監(jiān)測斷面，如圖1。其中社河、蘇子河、渾河3條河流入庫口分別設(shè)置監(jiān)測斷面，分別為臺(tái)溝、鼓樓和北雜木；出庫口設(shè)1個(gè)出庫斷面，撫順取水口；庫區(qū)設(shè)置3個(gè)監(jiān)測斷面，分別為渾7、渾37和渾73，分別對(duì)每個(gè)斷面平、豐、枯3個(gè)水期進(jìn)行監(jiān)測，每個(gè)水期采樣2次。

圖1 大伙房水庫水質(zhì)監(jiān)測斷面

1.2 模型設(shè)置

基于質(zhì)量守恒原則建立RCA水質(zhì)模型，考慮了物質(zhì)進(jìn)入或離開水體的所有過程，包括物質(zhì)在水體內(nèi)的擴(kuò)散、對(duì)流過程，水體外界的輸入過程及其自身的生物、化學(xué)和物理轉(zhuǎn)化過程。一般地，物質(zhì)的外部輸入源包括：大氣沉降、地表降水?dāng)y帶、暴雨排水管道溢流、聯(lián)合排水管道溢流、城鎮(zhèn)生活廢水排放和工業(yè)廢水排放等。

RCA水質(zhì)模型的基本方程為：

式中 c為水質(zhì)因子濃度（mg/L）；t為時(shí)間（s）；E為擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；U為對(duì)流速度（m/s）；S為水質(zhì)因子的內(nèi)部源（mg/（m·s））；W為外部源（mg/（m·s））。

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測資料，利用RCA水質(zhì)模型對(duì)大伙房水庫富營養(yǎng)化進(jìn)行模擬計(jì)算。

RCA水質(zhì)模型中的水質(zhì)變量包括：溶解氧（DO）、1種形態(tài)的碳 （LDOC）、3種形態(tài)的氮（LDON，NH4T，NO23）、2種形態(tài)的磷（LDOP，PO4T）。 本次采用離線方式對(duì)大伙房水庫富營養(yǎng)化進(jìn)行模擬，水質(zhì)模型從2017年4月1日開始運(yùn)行至當(dāng)年的12月1日，水質(zhì)時(shí)間步長為10min，水動(dòng)力時(shí)間步長設(shè)定為30s。

2 結(jié)果與討論

B處各水質(zhì)要素的實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，如圖2。

圖2 B處水質(zhì)要素的模擬值與實(shí)測值對(duì)比

可以看出，該站實(shí)測和模擬的次表層溶解氧均呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化：春季溶解氧濃度保持在較高的水平，為9.41～10.40mg O2/L；夏季隨著水庫水位降低、浮游植物生長、氮磷營養(yǎng)鹽輸入增加、溫度層化出現(xiàn)，溶解氧濃度逐步下降，在秋初達(dá)最低，為4.95mg O2/L；秋季隨著浮游植物消亡、氮磷營養(yǎng)鹽輸入減少、水溫降低、水體垂向混合加強(qiáng)，溶解氧濃度迅速上升。模型很好地再現(xiàn)了模擬時(shí)段從富氧到缺氧再到富氧及溶解氧的濃度變化過程。模擬的總氮、硝酸鹽氮和氨氮的變化趨勢與實(shí)測值吻合良好，整個(gè)春季氨氮濃度較低，為0.06mg N/L；夏季，河流向水庫輸入的氨氮增長較多，但浮游植物生長需要吸收及硝化作用等，導(dǎo)致氨氮濃度增長較小，最大為0.17mg N/L；秋季后，河流輸入氨氮減少，氨氮濃度逐漸回落；硝酸鹽氮的變化過程同氨氮類似，而總氮變化趨勢不明顯，濃度相對(duì)其他水質(zhì)要素較高。在整個(gè)年度內(nèi)，葉綠素a濃度均處于較低水平。夏季隨著河流輸入無機(jī)磷、無機(jī)氮，浮游植物在營養(yǎng)鹽較充足的條件下開始生長，夏末其濃度達(dá)到最大，10月上旬以后葉綠素a濃度逐漸減小，主要由于水溫下降導(dǎo)致浮游植物消亡。

測站G處水質(zhì)要素計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比，如圖3。

圖3 G處水質(zhì)要素模擬值與實(shí)測值對(duì)比

可以看出，該測點(diǎn)對(duì)渾河水質(zhì)要素的輸入有很明顯的響應(yīng)，由于該測點(diǎn)水深較淺，葉綠素a、總磷、總氮、硝酸鹽氮和氨氮的季節(jié)變化非常明顯，夏初增長迅速、秋初明顯下降。其中葉綠素a和總磷的變化較為突出，溶解氧濃度在8月末初達(dá)到最小。

通過分析，最低、最高庫水位的溶解氧濃度、總磷、總氮和葉綠素a在表層的分布情況，可以看出，葉綠素a在撫順取水口保持在較低的濃度水平。夏初，高葉綠素a濃度一般分布在蘇子河、渾河下游和社河上游；秋季庫中葉綠素a濃度幾乎為零。對(duì)比可以看出葉綠素a與磷、氮的分布密切相關(guān)，而且葉綠素a與總磷的相關(guān)性更強(qiáng)。同時(shí)，表層溶解氧濃度夏秋兩季分布有較大不同。6月中旬水體溫度出現(xiàn)了明顯分層現(xiàn)象，導(dǎo)致了溶解氧濃度在表底層存在差異。但并不是所有區(qū)域的溶解氧濃度都是表層低而底層高：蘇子河、渾河下游段及兩河交匯處溶解氧濃度表層高于底層，而社河下游、庫首及庫中溶解氧濃度表層低于底層，可能是由于浮游植物的光合作用引起此處表層溶解氧濃度升高。10月中旬水庫溫度分層現(xiàn)象已消失，水體混合均勻，表層和底層溶解氧濃度幾乎相同?？偟膩碚f，實(shí)測數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)吻合較好，模型很好地再現(xiàn)了各水質(zhì)要素的濃度變化過程。

3 河流營養(yǎng)鹽輸入對(duì)水庫富營養(yǎng)化的影響

為降低水體中各類水質(zhì)要素的濃度水平，改善大伙房水庫的水環(huán)境質(zhì)量，對(duì)排放進(jìn)入水庫的污染源進(jìn)行控制并削減其排放總量。本次設(shè)計(jì)了3組數(shù)值試驗(yàn)，如表1。

表1 數(shù)值試驗(yàn)

續(xù)表1

3.1 S0組

兩種工況下?lián)犴樔∷谒|(zhì)要素如圖4。

圖4 水質(zhì)要素在不同營養(yǎng)鹽輸入時(shí)的計(jì)算值對(duì)比

在將磷、氮輸入同時(shí)減少一半后，溶解氧濃度在水體出現(xiàn)溫度分層后有所增加，最大增幅可達(dá)24.45%，溫度分層消失后溶解氧濃度趨于一致；總磷、總氮、硝酸鹽氮和氨氮濃度均降低，其中隨時(shí)間推移總氮和硝酸鹽氮降幅逐步加大，總磷在9，10月份降幅較大，氨氮在7月底8月初降幅最大；葉綠素a濃度最高可下降74.21%?？梢?，減少上游磷、氮輸入能限制浮游植物生長、降低營養(yǎng)鹽濃度水平、明顯改善夏季庫內(nèi)的缺氧狀況。

3.2 S1組

各試驗(yàn)工況下?lián)犴樔∷谒|(zhì)要素如圖5。

圖5 水質(zhì)要素在氮輸入減少時(shí)的計(jì)算值對(duì)比

在蘇子河和渾河的氮輸入分別減少一半時(shí)，溶解氧濃度僅有極微小的變化，撫順取水口處的葉綠素a和總磷濃度均沒有變化，總氮、硝酸鹽氮和氨氮濃度變化各工況有所不同。同時(shí)減少各河流氮輸入（E11）時(shí)總氮、硝酸鹽氮和氨氮濃度的降幅遠(yuǎn)比分別減少渾河（E12）和蘇子河（E13）的氮輸入時(shí)要大。而在分別減少蘇子河和渾河的氮輸入時(shí)，撫順取水口處的總氮、硝酸鹽氮和氨氮濃度的歷時(shí)曲線互相糾纏，表明兩條河流的氮輸入對(duì)撫順取水口處總氮、硝酸鹽氮和氨氮的影響相當(dāng)。

3.3 S2組

各試驗(yàn)工況下?lián)犴樔∷谒|(zhì)要素如圖6。

圖6 水質(zhì)要素在磷輸入減少時(shí)的計(jì)算值對(duì)比

在蘇子河和渾河的磷輸入分別減半時(shí)，撫順取水口處的溶解氧濃度均增加，且增長幅度差別較?。豢偟獛缀醪蛔?，硝酸鹽氮、氨氮濃度有很小的下降；葉綠素a、總磷濃度均有所下降，且蘇子河磷輸入減半時(shí)（E23）降幅大于渾河磷輸入減半（E22）。表明蘇子河的磷輸入對(duì)撫順取水口處浮游植物生長和總磷的貢獻(xiàn)大于渾河。

綜合分析，大伙房水庫的浮游植物生長是磷限制的，減小各河流磷輸入將會(huì)有效降低庫內(nèi)葉綠素a的濃度，控制蘇子河的營養(yǎng)鹽輸入更為適宜。但是由于水庫總氮濃度一直處于較高水平，對(duì)各河流氮排放總量進(jìn)行控制也應(yīng)引起足夠的重視。

4 結(jié)語

基于RCA模型建立了大伙房水庫水質(zhì)模型，對(duì)不同水質(zhì)要素進(jìn)行模擬，分析了各水質(zhì)要素空間分布規(guī)律及其隨時(shí)間的變化特征，并研究了各河流營養(yǎng)鹽輸入對(duì)水庫水質(zhì)要素的影響，主要得出以下結(jié)論：

（1）模擬得到的水質(zhì)要素與監(jiān)測點(diǎn)位的實(shí)測值與符合良好，將各河流磷、氮營養(yǎng)鹽輸入均減半時(shí)，能夠減小水庫葉綠素a、氮、磷營養(yǎng)鹽濃度，明顯增加水體夏季溶解氧濃度。

（2）減少各河流氮營養(yǎng)鹽輸入對(duì)浮游植物生長、總磷和溶解氧幾乎沒有影響，僅對(duì)總氮、硝酸鹽氮、氨氮和濃度產(chǎn)生影響；而減少各河流磷營養(yǎng)鹽輸入?yún)s可以減小葉綠素a、總磷硝酸鹽氮和氨氮的濃度水平，降低水體富營養(yǎng)化程度。

（3）渾河、蘇子河的氮輸入對(duì)撫順取水口處各水質(zhì)要素的影響相當(dāng)，減小蘇子河的磷輸入能更有效地降低撫順取水口處的葉綠素a濃度。該研究以期為大伙房水庫水資源可持續(xù)利用及水質(zhì)管理提供理論指導(dǎo)。